JPS6024426B2 - Non-conductive polar gas detection method and detection element - Google Patents

Non-conductive polar gas detection method and detection element

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JPS6024426B2
JPS6024426B2 JP54105819A JP10581979A JPS6024426B2 JP S6024426 B2 JPS6024426 B2 JP S6024426B2 JP 54105819 A JP54105819 A JP 54105819A JP 10581979 A JP10581979 A JP 10581979A JP S6024426 B2 JPS6024426 B2 JP S6024426B2
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dielectric material
charge
detection
electric field
capacitor
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カ−ル・フレデリツク・クレイン
ポ−ル・エドワ−ド・ト−マ
ジヨン・イ−・オ−コフア−
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    • G08B17/10Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/117Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means by using a detection device for specific gases, e.g. combustion products, produced by the fire
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/60Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrostatic variables, e.g. electrographic flaw testing

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気体状生成物検出方法及び環境組成分の検出素
子に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a gaseous product detection method and an environmental composition detection element.

従来の燃焼検出器は発熱式、燃焼炎式、光電式、イオン
化チヱンバー方式、金属酸化物又はポリマー状有機物質
の半導体検出器方式、電解セル方式などによる燃焼特性
センサーに応答する。
Conventional combustion detectors respond to combustion characteristic sensors such as exothermic type, combustion flame type, photoelectric type, ionization chamber type, metal oxide or polymeric organic semiconductor type, electrolytic cell type, etc.

本鍔き緑酸鱗麓鯵あ命をと−仇を越えるとともに事実上
双極子−水素結合力を有しない(5.0エルグ/地より
4・さく好ましくは1エルグ/係以下)高感度の非導電
性センサーを既に開発している。
Hontsubaki green acid scale horse mackerel - to overcome the enemy, and has virtually no dipole-hydrogen bonding force (5.0 ergs/earth or less, preferably 1 erg/or less) Highly sensitive It has already developed a non-conductive sensor.

上記の表面抵抗率は1×1び5オーム/地を越え又体積
抵抗率は相対湿度50%(50%R.日.)で1×1び
5オーム一触よりも大きいことが望ましい。ポリマー系
の有望な材料はポリ四フッ化エチレン(TFE)、バー
フロロアルコキシ(PFA)、フッ化エチレン−プロピ
レン(FEP)等の商標名テフロンで市販されている材
料、ポリスチレン、ポリエチレンが挙げられる。
It is desirable that the surface resistivity be greater than 1 x 1 and 5 ohms per ground, and that the volume resistivity be greater than 1 x 1 and 5 ohms per touch at 50% relative humidity (50% R.day). Promising polymeric materials include polytetrafluoroethylene (TFE), barfluoroalkoxy (PFA), materials sold under the trade name Teflon such as fluorinated ethylene-propylene (FEP), polystyrene, and polyethylene.

これらの物質は燃焼によって発生する極性ガス分子を吸
収して検出可館な誘導電荷を生ずる。プローブ又は電極
も燃焼生成物等によるイオン基及び荷電※泣子がその表
面に近づくとこれを感知する。本発明は特殊な荷電状態
にされ電荷増強用の電界を形成するために電気的双極子
、電気的単極子の双方又は一方を含む非導電性センサを
提供する。
These materials absorb polar gas molecules generated by combustion, creating a detectable induced charge. The probe or electrode also senses ionic groups and charged particles caused by combustion products when they approach the surface. The present invention provides a non-conductive sensor that includes an electrical dipole and/or monopole placed in a special charge state to create a charge-enhancing electric field.

この場合の電界によって材料表面又は好ましくはその内
部に集積する双極子又は電荷を整列せしめることが可能
である。有用な材料としてポリ四フッ化エチレン(テフ
ロン TFE)、パーフ。ロアルコキシ樹脂(テフロン
PFA)、フッ化ヱチレンプロピレン共重合体(FE
P)、ポリスチレン、ポリエチレン等がある。これらの
材料の体積抵抗率及び表面抵抗率は高いので、長時間に
わたって鰭荷を保持するのに重要なはたらきをする。こ
れらの材料の吸水率及び水に対する吸着特性は小さい。
これら非導電材料は適宜の技法で帯電させることができ
る。燃焼生成物に対する電気的応答は初期パルスに続い
て、非荷電状態の非導電性吸着形センサー材料では生じ
ない特有のランプ応答関数の増大が起きる。
The electric field in this case makes it possible to align dipoles or charges that accumulate on the surface of the material or preferably within it. Useful materials include polytetrafluoroethylene (Teflon TFE), perf. loalkoxy resin (Teflon PFA), fluorinated ethylene propylene copolymer (FE
P), polystyrene, polyethylene, etc. The high volume and surface resistivities of these materials play an important role in retaining the fin load over long periods of time. The water absorption and water adsorption properties of these materials are low.
These non-conductive materials can be charged by any suitable technique. The electrical response to combustion products follows the initial pulse with a unique ramp response function increase that does not occur with uncharged, non-conducting adsorptive sensor materials.

一の好適例を示すと、導函性基板は支持体及びその裏面
の接続用ボルトを有しこの基板に一体化されシールドア
ースとしてはたらく適当な外部導体内に装定されてプロ
ーブが形成される。
In one preferred embodiment, the conductive substrate has a support and a connecting bolt on its back side and is integrated into this substrate and mounted within a suitable external conductor which serves as a shield earth to form the probe. .

外部導体はプローブから離間されてプローブを吸着検出
素子として機能させる形式が探られている。別の例では
、外部導体及びシールドアースはプロープに近接配置す
るか又は平板電極を付設して容量形センサーとなしシー
ルドアースに対する電界強度を高感度の容量形の応答を
するようにしている。上記の信号の大きさは、良好な特
性の電位計を有する高入力インピーダンス装置が用いら
れる程度である。出力信号の検出器としては米国特許第
・ 37払21叫号、同第3擬嬰63号等に開示された
ものが用いられ得る。一方、非荷電形のプローブよりも
有効出力信号を大きくするためには増幅度をかなり小さ
くする必要がある。本発明は燃焼等環境生成物に含まれ
る粒子及びガス状媒体を高感度で検出可能にするもので
ある。
A method is being explored in which the external conductor is separated from the probe so that the probe functions as an adsorption detection element. In another example, the outer conductor and shield ground may be placed in close proximity to the probe or may be provided with a plate electrode to provide a capacitive sensor with a sensitive capacitive response to the field strength relative to the shield ground. The magnitude of the signal described above is such that a high input impedance device with a well-characterized electrometer is used. As a detector for the output signal, those disclosed in US Pat. No. 37, No. 21, US Pat. On the other hand, in order to make the effective output signal larger than that of an uncharged probe, the degree of amplification must be made considerably smaller. The present invention enables highly sensitive detection of particles and gaseous media contained in environmental products such as combustion.

本発明の実施例に関する添付図に従って以下説明する。Embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第1−2図において、検出プローブ1は支持用金属基板
2、対向しいずれか一面のみを検出用反応表面とした表
面3及び4を有する。一対の接地されたカップ状多孔板
又は電極6及び7を有する外部支持ハウジング又はケー
スはプローブ1とシールドとの間の自由空間を形作る。
多孔8は周辺環境とこの自由空間との事実上自由な流通
従って表面3との接触を可能ならしめる。第1図のプロ
ープ1は、FEP又はPFAテフロン等の接着剤9、シ
リコーン接着剤などによって固着された被膜又は薄膜状
材料であり得る反応表面3−4を導電材料である金属基
板2に一体的に固着している。
In FIGS. 1-2, a detection probe 1 has a supporting metal substrate 2 and opposing surfaces 3 and 4, only one of which is a detection reaction surface. An external support housing or case with a pair of grounded cup-shaped perforated plates or electrodes 6 and 7 defines a free space between the probe 1 and the shield.
The pores 8 allow virtually free communication of this free space with the surrounding environment and thus contact with the surface 3. The probe 1 of FIG. 1 has a reactive surface 3-4, which may be a coating or a thin film-like material fixed by an adhesive 9 such as FEP or PFA Teflon, silicone adhesive, etc., to a metal substrate 2, which is a conductive material. It is stuck to.

支柱又はボルト11はプローブ1の支持体をなすととも
に回路コネクタとなり得る。第2図の高入力インピーダ
ンス検出器及び処理回路12は警報回路13等への適宜
の出力を送り出すのに用いられると好適である。各表面
3及び4は永久的な電界を作り出す荷電状態の絶縁性又
は誘電材料となる電気的素子である。
The post or bolt 11 provides a support for the probe 1 and can serve as a circuit connector. The high input impedance detector and processing circuit 12 of FIG. 2 is preferably used to send an appropriate output to an alarm circuit 13 or the like. Each surface 3 and 4 is an electrical element which is an insulating or dielectric material in a charged state creating a permanent electric field.

この電界は電気的双極子の整列によって生じたり誘電材
料内部又はその表面に過剰電荷が存在しているために生
ずる。この謎電材料はそれ自体が電気的双極子又は単極
子の両方を含み得るという点で分極の機構が磁性材料よ
りも多様になることを除け‘よ永久磁石の静電的類推が
可能である。誘電素子の寿命がその電荷保持能力の関数
であるところから素子による電荷の保持は極めて重要で
ある。この電荷保持能力を支配する電気的材料の基本的
特性はその電気抵抗率である。一般的に言って、この材
料は長時間にわたって電荷を保持するために体積抵抗率
及び表面抵抗率が高くなければならない。体積抵抗率は
50%RH(相対湿度)で1×1び2オーム−仇より大
きく又表面抵抗率は50%RHで1×1びoオーム/地
よりも大きくなければならない。好適な体積抵抗率は1
×1び5オーム一触を、表面抵抗率が1×1び5オーム
ノのをそれぞれ越える。実用的には、95%RHまでの
相対湿度下で24時間曝露されたときの重量的に求めう
れる吸水率が低い(95%RHで1%以下)ことが要求
される。
This electric field is caused by the alignment of electrical dipoles or by the presence of excess charge within or on the dielectric material. An electrostatic analogy to a permanent magnet is possible, except that the polarization mechanism is more diverse than for magnetic materials in that this mysterious electrical material can itself contain both electrical dipoles or monopoles. . Charge retention by the dielectric element is extremely important since the lifetime of the dielectric element is a function of its charge retention ability. The fundamental property of an electrical material that governs this charge retention ability is its electrical resistivity. Generally speaking, the material must have high volume and surface resistivity in order to retain charge for long periods of time. The volume resistivity should be greater than 1.times.1 and 2 ohms/ground at 50% RH (relative humidity) and the surface resistivity should be greater than 1.times.1 and 2 ohms/ground at 50% RH. The preferred volume resistivity is 1
The surface resistivity exceeds 1×1 and 5 ohms, respectively. Practical requirements require a low weight-based water absorption (less than 1% at 95% RH) when exposed for 24 hours under relative humidity up to 95% RH.

この誘電素子材料の表面エネルギー成分は、双極子−水
素間結合力による寄与の最も4・さし、すなわち表面の
極性基が最も少ない分散結合力に主として基因すること
が望ましい。h/sの値は5.0エルグ/係より小さい
ことが望ましい。代表的な譲軍材料としてポリ四フッ化
エチレン(テフロンTFE)、ポリスチレン、ポリエチ
レンを挙げることができる。その他に、フツ化エチレン
プロピレン共重合体(FEP)、パーフロロアルコキシ
樹脂(テフロン PFA)、アイオノマー樹脂、ポリプ
ロピレン等がある。さらに他の、荷電状態になってから
この電荷を保持し得る絶縁性又は譲露材料も用いられる
。感知(検出)機構は本質的に倍増される、すなわち誘
電材料は、m非荷電形の誘電体センサーのごとく吸着体
としてはたらき、又■静電形の検出反応を行うはたらき
をする。
It is desirable that the surface energy component of this dielectric element material is mainly based on the 4th scale of the contribution from the dipole-hydrogen bonding force, that is, the dispersion bonding force with the least amount of polar groups on the surface. It is desirable that the value of h/s is smaller than 5.0 ergs/sec. Representative materials include polytetrafluoroethylene (Teflon TFE), polystyrene, and polyethylene. Other examples include fluorinated ethylene propylene copolymer (FEP), perfluoroalkoxy resin (Teflon PFA), ionomer resin, and polypropylene. Still other insulating or yielding materials that can become charged and then retain this charge are also used. The sensing mechanism is essentially doubled; the dielectric material acts as an adsorbent, like an uncharged dielectric sensor, and performs an electrostatic sensing reaction.

この素子はその検出性能が静電的なクーロン引力にもさ
らに左右される点で単純な吸着体とは異なる。素子材料
に関連する電界は非荷電状態の譲蚤材料に関連する吸着
及び電荷検出現象を増幅する。
This element differs from a simple adsorbent in that its detection performance is also dependent on electrostatic Coulomb attraction. The electric field associated with the device material amplifies the adsorption and charge sensing phenomena associated with the uncharged, non-charged material.

非荷電状態の吸着性能の上記素子による増幅は、この素
子に関係する電界の作用で、吸着されている極性ガス分
子が整列させられこれにより譲導電界の効果を増大させ
ることに基づくと考えられる。この電界は又、帯電ェア
ロゾル、イオン基、極性ガス分子を吸引する能力をも有
する。センサーの自由空間内に存在する極性ガス分子に
関連する吸引度は勿論、クーロン力の度合に左右され、
このクーロン力は極性ガスに関連する熱ェネルギよりも
大きくなり得る。上記の第2の静電形検出反応は第3図
及び第4図に示すごとく生成物が異なると検出プローブ
の応答も著しく変化してくる。
The amplification of adsorption performance in the uncharged state by the above device is thought to be based on the fact that the action of the electric field associated with this device aligns the adsorbed polar gas molecules, thereby increasing the effect of the conducting electric field. . This electric field also has the ability to attract charged aerosols, ionic groups, and polar gas molecules. The degree of attraction associated with the polar gas molecules present in the free space of the sensor depends, of course, on the degree of Coulomb force.
This Coulomb force can be greater than the thermal energy associated with polar gases. In the second electrostatic detection reaction described above, as shown in FIGS. 3 and 4, when the products are different, the response of the detection probe changes significantly.

第3図及び第4図は各々、2つのグラフからなりそのう
ちの曲線Aは各試験サンプルに対していぶした綿製灯心
を米国アンダーライター・ラボラトリース(UL)のス
モークチャンバーに挿入して経時応答を見たときの同様
な応答不明瞭化のカーブ15,16を表わしている。
Figures 3 and 4 each consist of two graphs, of which Curve A shows the response of each test sample to a smoked cotton wick inserted into a smoke chamber manufactured by Underwriter Laboratories (UL), USA. curves 15 and 16 of similar response obfuscation when viewed.

曲線Bはプローブの応答又は信号特性のカーブ17,1
8である。荷電形誘電体プロープにおけるカーブには初
期パルス21とこれに続く長いランプ関数信号が出現す
る。このランプ信号22は一定値22aに到達する。こ
の結果、増幅器が飽和していると増大し続けることがあ
る。反対に、非荷電状態のプロープでは初期パルス23
のあとで事実上一定で大体減少していく出力信号部分2
4が現われる。吸着による強化(ェンハンスメント)電
界をそなえた荷電状態の誘電体はこうして連続的な応答
を持続する電界を有しており明白に異つた感度特性を生
じていることが分かる。この荷電した誘電体は様様な有
毒及び無害な極性ガス及び荷電粒子を含む燃焼空気汚染
物によって生成された生成物の広範なスベクトラムを検
出可能にする。このように連続的な感度特性をもつた誘
電体形検出プローブはくすぶりかけの状態でも燃焼状態
の検知が可能である。検出用素子の表面で樋性ガスの吸
着が増幅的に行われると、素子検出表面に誘導される電
荷の量が増大する。
Curve B is the probe response or signal characteristic curve 17,1
It is 8. An initial pulse 21 followed by a long ramp function signal appears in the curve for the charged dielectric probe. This ramp signal 22 reaches a constant value 22a. As a result, it may continue to increase if the amplifier is saturated. Conversely, for an uncharged probe, the initial pulse 23
The output signal portion 2 remains virtually constant and approximately decreases after .
4 appears. It can be seen that a charged dielectric with an enhancement electric field due to adsorption thus has an electric field that sustains a continuous response, giving rise to distinctly different sensitivity characteristics. This charged dielectric allows detection of a wide spectrum of products produced by combustion air pollutants, including a variety of toxic and non-hazardous polar gases and charged particles. A dielectric detection probe with such continuous sensitivity characteristics can detect the combustion state even in a smoldering state. When the gutter gas is adsorbed on the surface of the detection element in an amplified manner, the amount of charge induced on the detection surface of the element increases.

この電荷を検知測定するために、電位計の特性の良好な
高入力インピーダンス検出回路が一般に要求される。一
方、この増幅器の利得は非議電形吸着体センサーの場合
に比べてはるかに小さい。この結果、誘電体形検出回路
の複雑さと製作コストは著しく低減される。概して言え
ば、前述した米国特許に開示されている出力信号検出ユ
ニットは本発明に用いて満足な結果をもたらし得る。誘
電素子の形成には公知の様々な技法が用いられる。
To sense and measure this charge, a high input impedance detection circuit with good electrometer characteristics is generally required. On the other hand, the gain of this amplifier is much smaller than that of a non-electromagnetic adsorbent sensor. As a result, the complexity and manufacturing cost of the dielectric sensing circuit is significantly reduced. Generally speaking, the output signal detection units disclosed in the aforementioned US patents can be used with the present invention with satisfactory results. Various techniques known in the art may be used to form dielectric elements.

古典的な熱電方式を用いると、加熱されている絶縁体に
強い電界をかけてからこれを冷却させて双極子の整列を
図る。双極子は適当な強議電体材料を圧縮したり伸長す
ることによって形成することもできる。電荷注入をコロ
ナ放電又は電子ビームで行うこともできる。誘電素子は
、図示された接地用シールド部材によって形成されるよ
うな包囲体に函鏡されてイオンからシールドすることが
好ましい。
Using classic thermoelectric methods, a strong electric field is applied to a heated insulator, which is then cooled to align the dipoles. Dipoles can also be formed by compressing or stretching a suitable ferroelectric material. Charge injection can also be performed with a corona discharge or an electron beam. Preferably, the dielectric element is shielded from ions by being enclosed in an enclosure such as that formed by the illustrated grounding shield member.

電荷注入された誘電素子は適切なシールドによって数百
年の寿命を保つものを形成できるので長寿命の使用を要
する場合に有効である。本発明は、汚染成分と荷電状態
の材料により生じる電界との相互作用の結果として信号
変化が増強されるごとき荷亀状態の誘電材料を用いるこ
とで顕著な効果を得ることを可能とする。
Charge-injected dielectric elements can be made to last hundreds of years with proper shielding, making them useful where long-life use is required. The present invention makes it possible to obtain significant benefits by using dielectric materials in a charged state, such that signal changes are enhanced as a result of the interaction of contaminant components with the electric field produced by the charged material.

前述のように、シールド要素6はブローフュニット1に
近接配置して燃焼生成物等の環境成分を検出するコンデ
ンサ型センサーを形成し得る。
As previously mentioned, the shielding element 6 may be placed in close proximity to the blown unit 1 to form a capacitor-type sensor for detecting environmental components such as combustion products.

コンデンサ型センサーは第5図に示すような独特の構成
を探ることができる。第5図において、別体であってブ
ローブリード線26とは異なる電位のコンデンサ極板2
5がブローフュニットー特に検出表面4に近接配置され
ている。
Capacitor type sensors can be used in unique configurations as shown in Figure 5. In FIG. 5, the capacitor plate 2 is a separate body and has a different potential than the blow bleed wire 26.
5 is arranged close to the blowing unit, in particular to the detection surface 4.

この極板25は支持体でもあり得る連結用支柱を含む。
極板25は又接地電位その他の基準電位に接続されても
よい。
This plate 25 includes connecting struts which can also be supports.
Plate 25 may also be connected to ground potential or other reference potential.

第5図は誘電素子検出表面4とコンデンサ極板25との
間の自由空間を規定するために他の容量型形状になし得
るが平行平板コンデンサを示す。第5図の構成は非容量
型のプローフ検出システムに対する付加的な検出機構を
形作る。検出表面4における吸着応答及び、表面4への
樋性ガス分子の電荷の多重層又は生成層の発生に基づく
応答が第5図の構成においても生ずる。第5図の例によ
れば、センサーはコンデンサの一面が前述した双極子に
接続されている。この付加された極板25はコンデンサ
の対向極板となる。従って、極板25がリード線26に
接続されていてもコンデンサュニット内での荷電分布を
変化するコンデンサ極板としてリード線26の電圧に影
響を与える回路を規定しておりこの結果ユニット全体の
容量特性が全体として変化する回路を構成しているもの
である。さらに、コンデンサーの形状は、非荷電状態の
ガス分子とだけでなく鰹中の特定の物質と相互作用して
この特定の物質及びガス分子に誘導による双極子モーメ
ントを生成させる大きさの強電界を発生する。この強電
界によって分子中及び粒子中の正負の電荷は分離される
複向をもつに至る。センサーの板状要素を互いに近接配
置してコンデンサ型センサーを形作ることにより、電界
強度は有効かつ動作可能な誘導分極を粒状物質に生ぜし
めるレベルにまで増大する。一例を示すと、代表的な動
作レベルでは譲函素子は約476ボルト/均(3000
ボルト/平方ィンチ)の電位が約3.2肋(8分の1イ
ンチ)程度ブローフから離れた処に生じ、これが著しい
電界の増大さらに粒状物質及びガス分子中の誘導による
双極子の運動を生ぜしめることになる。上述のようにセ
ンサーのかなりのレベルへの帯電によって応答の面での
向上が期待され得るが、これは例えば検出用コンデンサ
の電界強度が3150×1ぴボルト/M程度にまでなる
と特に顕著であることが分かっている。煙が上記の電界
中に入ると分極されて大きさが等しい正の誘導電荷と負
の誘導電荷が生ずる。
FIG. 5 shows a parallel plate capacitor, although other capacitive shapes can be made to define the free space between the dielectric element sensing surface 4 and the capacitor plate 25. FIG. The configuration of FIG. 5 forms an additional detection mechanism for non-capacitive probe detection systems. An adsorption response at the detection surface 4 and a response based on the generation of multiple layers or generation layers of charge of the gas molecules on the surface 4 also occur in the configuration of FIG. According to the example of FIG. 5, the sensor has one side of the capacitor connected to the aforementioned dipole. This added plate 25 becomes a counter plate of the capacitor. Therefore, even if the electrode plate 25 is connected to the lead wire 26, a circuit is defined that affects the voltage of the lead wire 26 as a capacitor plate that changes the charge distribution within the capacitor unit. This constitutes a circuit whose capacitance characteristics change as a whole. Furthermore, the shape of the capacitor generates a strong electric field that is large enough to interact not only with uncharged gas molecules but also with a specific substance in the bonito, creating an induced dipole moment in this specific substance and gas molecules. Occur. Due to this strong electric field, the positive and negative charges in molecules and particles are separated and have dual directions. By placing the plate-like elements of the sensor in close proximity to each other to form a capacitor-type sensor, the electric field strength is increased to a level that produces effective and operable induced polarization in the particulate material. As an example, at typical operating levels, the transfer box element will be approximately 476 volts/typical (3000
volts per square inch) is developed approximately 3.2 ribs (one-eighth inch) away from the blob, which causes a significant electric field increase and dipole motion due to induction in the particulate matter and gas molecules. It will end. As mentioned above, an improvement in response can be expected by charging the sensor to a significant level, and this is particularly noticeable when the electric field strength of the sensing capacitor reaches, for example, 3150 x 1 Pivolt/M. I know that. When smoke enters the electric field, it is polarized and generates positive and negative induced charges of equal magnitude.

この過程で、煙中の電子は平衡状態からずれて誘導分極
による双極子P−Nqdを生ずる。この誘導による煙の
電荷はこれによって生ずる誘電素子の電界Esがコンデ
ンサの電界Eoに対向するように現われる。結果的なコ
ンデンサ電界EはEoとEsとの合計であり、誘導によ
る煙の分極はコンデンサの元の外部電界を弱める煩向が
あるのでこれによって小さくなるということを除いて、
Eoと同じ樋性をもつ。コンデンサの電界の弱まりはそ
れ自体コンデンサの極板同士の電位差の低減を示す。こ
こで、電圧をV,Eを電界強度さらにdを距離とすると
、V−Edとなる。第6図に示すように、連続的に増大
するランプ(ramp)としてコンデンサ型センサーが
応答することを示す。ガス分子及び粒子中の譲導による
双極子の運動はこうしてカーブ27の特性をなめらかに
する煩向従って最初の煙の電荷28(第6図)を検出し
た後世力の低下を防ぐ煩向をもつ。鰹中の分子の譲導分
極も又その構造に照らして述べることができる。
In this process, the electrons in the smoke deviate from their equilibrium state and generate a dipole P-Nqd due to induced polarization. This induced smoke charge appears in such a way that the resulting electric field Es of the dielectric element opposes the electric field Eo of the capacitor. The resulting capacitor electric field E is the sum of Eo and Es, except that the polarization of the induced smoke tends to weaken the original external electric field of the capacitor and is thereby reduced.
It has the same gutter properties as Eo. A weakening of the electric field of a capacitor itself indicates a reduction in the potential difference between the plates of the capacitor. Here, when the voltage is V, E is the electric field strength, and d is the distance, it becomes V-Ed. As shown in FIG. 6, the response of the capacitor type sensor is shown as a continuously increasing ramp. The motion of the dipoles due to the yield in the gas molecules and particles thus serves to smooth out the characteristics of the curve 27 and thus prevents a subsequent drop in the power of detecting the initial smoke charge 28 (Figure 6). . The yield polarization of molecules in bonito can also be described in the light of their structure.

外部電界のないときには、分子の電気的形状は正常であ
る。コンデンサの電界内にあると、電子雲の電気的形状
は変形された極性形状にずれてくる。このずれは、荷電
した極板の電界による電子雲に対する力と電荷同士のク
ーロン力による電子雲に対する力とがバランスして安定
な平衡が存在することになるように生ずる。ここでFE
=Fc (式1)F8=NqE
(式2)FC=鰐器3 (式3
)とすると、 NqE=4砦孝詩3 (式4) 4汀ご沢笹=Nqd (式5)とすると、分
子の双極子モーメントはそれ故次のごとく記述される:
P=Nqd=4mどぶ3E=EQ (式6)ここに
、Q=4汀どぶ3 (式7)は分子の電子分極
率である。
In the absence of an external electric field, the electrical shape of the molecule is normal. When in the electric field of a capacitor, the electrical shape of the electron cloud shifts to a modified polar shape. This shift occurs so that a stable equilibrium exists between the force on the electron cloud due to the electric field of the charged plate and the force on the electron cloud due to the Coulomb force between the charges. FE here
=Fc (Formula 1)F8=NqE
(Formula 2) FC = Crocodile device 3 (Formula 3
), then NqE = 4 (Formula 4) 4 Teigosawa Sasa = Nqd (Formula 5), then the dipole moment of the molecule is therefore written as follows:
P=Nqd=4m groove 3E=EQ (Formula 6) Here, Q=4 groove 3 (Formula 7) is the electronic polarizability of the molecule.

この分極率Qは分子の電荷数N‘こよるというよりもむ
しろ分子の半径Rに依存するように見える。従って電界
の大きさを制御することにより、検出すべき粒子の大き
さを選択調節できることになる。双極子モーメントはコ
ンデンサ電界の強度に比例すると考えてよい。上記の現
象は議蟹分極〆カニズムを含めて、コンデンサの相対譲
亀率の変化として説明することもできる。
This polarizability Q appears to depend on the radius R of the molecule rather than on the number N' of charges on the molecule. Therefore, by controlling the magnitude of the electric field, the size of the particles to be detected can be selectively adjusted. The dipole moment can be considered to be proportional to the strength of the capacitor electric field. The above phenomenon, including the polarization mechanism, can also be explained as a change in the relative yield rate of the capacitor.

煙が通過すると荷電したコンデンサの極坂間に誘電体を
形成するとともにこのコンデンサの相対誘電率の変化を
生ずる。この譲霞率の変化はコンデンサの極板間の電界
強度の従ってその間の電圧の変化を生ぜしめる。誘電体
面に煙が存在していないとき、ガウスの定理から次のよ
うに表現し得る:ここで S=煙の感度 D=コンデンサの露東密度 A=コンデンサの面積 ごo =誘電体の誘電率 ごr=誘電体の相対誘電率 E=コンデンサの電界強度 V=コンデンサの電圧 d=コンデンサ極板の間隔 Qc=Qo=ごo JE・松=ごoEoA (式8)
Q (式9)Ec=Eo=をX 誘電体面に煙が存在すると Qc=Qo−QFごo JE・ds=ご沢ぶ(式10)
Q − Qi (式11)Ec=六
不 どoA葦刊EC+芸 (式12) D=‘忍c+Pi (式13)ここ
にD=Q。
As the smoke passes, it forms a dielectric between the polar slopes of the charged capacitor and causes a change in the relative dielectric constant of the capacitor. This change in yield rate causes a change in the electric field strength between the plates of the capacitor and therefore in the voltage therebetween. When there is no smoke on the dielectric surface, it can be expressed from Gauss' theorem as follows: where S = sensitivity of smoke D = exposure density of capacitor A = area of capacitor O = permittivity of dielectric Go r = Relative permittivity of dielectric E = Electric field strength of capacitor V = Voltage of capacitor d = Distance between capacitor plates Qc = Qo = Goo JE・Matsu = GooEoA (Formula 8)
Q (Formula 9) Ec = Eo = X If smoke exists on the dielectric surface, Qc = Qo - QFgo JE・ds = Gozabu (Formula 10)
Q - Qi (Formula 11) Ec = Rokufu dooAashikan EC + Gei (Formula 12) D = 'nin c + Pi (Formula 13) Here D = Q.

/Aは霞東密度E=V/dは電界強度 PFQi/Aは譲導による分極。/A is Kasumi density E=V/d is electric field strength PFQi/A is polarization due to concession.

一方、 D=ど。on the other hand, D = Do.

ごrE (式14)であるからD
=ご。
Since (Equation 14), D
= Go.

ごrE=ど。E十Pi (式15)Pi=ご。
(どr−1)E (式16)又はザ・十誌
(式17)煙の検出はコンデンサ電界におけ
る誘導分極により行われるので、検出器の粒子及び液滴
感度はコンデンサ面の電荷に比例する。
Go rE=do. E0Pi (Formula 15) Pi=go.
(Dor-1) E (Equation 16) or The Ten (Equation 17) Since smoke detection is performed by induced polarization in the capacitor electric field, the particle and droplet sensitivity of the detector is proportional to the charge on the surface of the capacitor. .

SのQCニQ。S QC NiQ.

‐QiニDAニご。ErEA=ご。^.¥.A (
式18)本発明の特色は、一様に帯電した誘電材料のか
なり広い面積がガス状生成物に露呈せしめられるととも
にその帯電状況の変化を検出する手段と結合された点で
ある。
-Qi Ni DA Nigo. ErEA=Go. ^. ¥. A (
Equation 18) A feature of the present invention is that a fairly large area of uniformly charged dielectric material is exposed to the gaseous products and combined with means for detecting changes in its charging status.

この面積が大きくなると、全面にいくつかの検知ユニッ
トを分布させてこれらを信号処理回路又は個別的な処理
回路に接続することもできる。
If this area becomes large, it is also possible to distribute several sensing units over the entire surface and to connect these to a signal processing circuit or to a separate processing circuit.

本発明はさらに寿命が永く信頼性が高い比較的低廉なユ
ニットでありながら非導電型のセンサーの利用を促進し
たもので、その応用範囲は環境汚染生成物又は煙が帯電
表面要素と相互作用してその表面電荷の変化を生ずるも
のであれば全て利用し得るのである。
The present invention further promotes the use of non-conductive sensors in long-life, reliable and relatively inexpensive units, with applications where environmental pollutants or smoke interact with charged surface elements. Any material that causes a change in surface charge can be used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による検出プロープの都分破断側面図、
第2図は第1図のプローブをそなえた火災検出器のブロ
ック図、第3図は帯電した誘電体のガス分子に対する感
度を示すグラフ、第4図は帯電していない譲蟹体の第3
図と同様のグラフ、第5図はコンデンサ型センサーにお
ける本発明によるプローブ、第6図は第5図に対応する
第3図又は第4図と同様のグラフである。 1・・・・・・検出プローブ、2・・・・・・極板、3
,4・・・・・・反応表面、5・・・・・・ハウジング
又はケース、6,7・・・・・・電極又は多孔板、8・
・・・・・多孔板、9・・・・・・接着材層、11・・
・・・・支柱又はボルト、12・・・・・・信号処理回
路、13・…・・警報回路。 FIG.l FIG.2 FIG.3 FIG4 FIG.5 FIG.6
FIG. 1 is a partially cutaway side view of a detection probe according to the present invention;
Figure 2 is a block diagram of a fire detector equipped with the probe shown in Figure 1, Figure 3 is a graph showing the sensitivity of a charged dielectric to gas molecules, and Figure 4 is a graph showing the sensitivity of a charged dielectric to gas molecules.
FIG. 5 is a probe according to the invention in a capacitor type sensor; FIG. 6 is a graph similar to FIG. 3 or 4 corresponding to FIG. 5; 1...detection probe, 2...electrode plate, 3
, 4... Reaction surface, 5... Housing or case, 6, 7... Electrode or perforated plate, 8...
...Porous plate, 9...Adhesive layer, 11...
. . . Support or bolt, 12 . . . Signal processing circuit, 13 . . . Alarm circuit. FIG. l FIG. 2 FIG. 3 FIG4 FIG. 5 FIG. 6

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ガス状生成物が発生する環境に自由空間を接して露
呈された検出表面を備える検出プローブと上記検出表面
に結ばれ該表面の電位を出力手段に接続して環境汚染物
の存在に応じて電気的信号を発生せしめるための電気的
信号リード線とを用いた環境ガス生成物の検出方法であ
つて、上記検出表面を電荷増強用電界を発生する電荷を
もつた誘電材料で形成し、該誘電材料の体積抵抗率を相
対湿度50%で1×10^12オーム−cmより大きく
又相対湿度95%で吸水率を1重量%より小さいものと
なし、上記誘電材料の表面に双極子−水素結合力の寄与
が最小の分散結合力に主として基因する表面エネルギー
成分を付与し、上記誘電材料が上記汚染物と反応して環
境中の汚染生成物に関連する検出可能な電気的出力を発
生するようになしたことを特徴とする上記検出方法。 2 上記誘電材料が上記電荷を形作る電気的単極子を含
むことを特徴とする上記1記載の方法。 3 上記誘電材料が上記電荷を形成する整列状態の双極
子を含む上記1又は2記載の方法。 4 上記誘電材料が部分的又は全体的にポリ四フツ化エ
チレン(TFE)、パーフロロアルコキシ樹脂(PFA
)、フツ化エチレンプロピレン(FEP、)ポリスチレ
ン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー樹脂
から選択されたものからなる上記1ないし3のいずれか
に記載の方法。 5 上記誘電材料は検出表面に電界を生ずる表面電荷を
有してなる上記1ないし4のいずれかに記載の方法。 6 上記誘電材料は検出表面に電界を生ずるトラツプ型
電荷を有してなる上記1ないし5のいずれかに記載の方
法。 7 環境汚染生成物の存在を検出する容量型検出装置で
あつて、非導電性の自由空間を間に挾んで離隔された一
対の容量型電極手段を含む容量型検出ユニツト、上記電
極手段のうち少なくとも一方は対向する電極から離間し
電界が加えられる自由表面を形成している帯電型の誘電
材料を有し、該誘電材料はその体積抵抗率が相対湿度5
0%で1×10^2オーム−cmよりも大きく又その吸
収率が相対湿度95%で1重量%より小さいとともに電
荷増強用電界を発生する電荷をもつた材料からなり、上
記誘電材料の表面に双極子−水素結合力の寄与が最小の
分散結合力に主として基因する表面エネルギー成分を有
し、又上記誘電材料は汚染生成物と相互作用して上記容
量型検出手段の電気的出力を変化する活性材料を規定し
ており、さらに上記容量型検出手段に接続されてその増
幅出力を発生せしめるための高入力インピーダンス手段
をそなえた増幅手段によつて構成されたことを特徴とす
る上記検出装置。 8 上記誘電材料は上記電荷を生ずる電気的単極子を有
してなる上記7記載の装置。 9 上記誘電材料は上記電荷を生ずる整列状態の双極子
を有してなる上記7又は8記載の装置。 10 上記誘電材料はその一部分又は全体がポリ四フツ
化エチレン(TFE)、パーフロロアルコキシ樹脂(P
FA)、フツ化エチレンプロピレン(FEP)、ポリス
チレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー
樹脂かな選択されることからなる上記7ないし9のいず
れかに記載の装置。 11 上記誘電材料は検出表面に電界を生ずる表面電荷
を有することからなる上記7ないし10のいずれかに記
載の装置。 12 上記誘電材料は上記検出表面に電界を生ずるトラ
ツプ型電荷を有している上記7ないし11のいずれかに
記載の装置。 13 上記電極手段の他方は一方の電極手段をとり囲む
接地された導電部材からなり、この部材には電極手段同
士の間を比較的自由に運動して上記活性材料と接触し得
るように多孔が形成されており、上記一方の電極手段は
他方の電極手段に収設され対向両面に上記誘電材料をそ
なえてなる素子である上記7ないし12のいずれかに記
載の装置。 14 上記コンデンサの電界強度は少なくとも3150
×10^5ボルト/mであることからなる上記7ないし
13のいずれかに記載の装置。 15 上記電極手段は複数の極板であり、これらの極板
を外側のシールドアース手段がとり囲んでいる上記7な
いし14のいずれかに記載の装置。 16 上記コンデンサ極板は互いに接続されるとともに
上記増幅手段の入力側に結ばれてなる上記15記載の装
置。 17 一方のコンデンサ極板が接地されてなる上記15
記載の装置。
[Scope of Claims] 1. A detection probe comprising a detection surface exposed in free space contact with an environment in which gaseous products are generated, and a detection probe connected to the detection surface and connecting the potential of the surface to an output means to prevent environmental contamination. A method for detecting environmental gas products using an electrical signal lead for generating an electrical signal in response to the presence of an object, the detection surface being connected to a charged dielectric wire for generating a charge-enhancing electric field. The volume resistivity of the dielectric material is greater than 1 x 10^12 ohm-cm at 50% relative humidity and the water absorption is less than 1% by weight at 95% relative humidity, and the dielectric material is The dielectric material reacts with the contaminant to provide a surface with a surface energy component that is primarily due to dispersive bonding forces with minimal contribution of dipole-hydrogen bonding forces, and the dielectric material reacts with the contaminant to generate detectable energy associated with contaminant products in the environment. The above detection method is characterized in that it generates an electrical output. 2. The method of claim 1, wherein the dielectric material includes an electrical monopole that shapes the charge. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the dielectric material includes aligned dipoles forming the charge. 4 The above dielectric material is partially or entirely made of polytetrafluoroethylene (TFE), perfluoroalkoxy resin (PFA).
), fluorinated ethylene propylene (FEP), polystyrene, polyethylene, polypropylene, and an ionomer resin. 5. The method according to any one of 1 to 4 above, wherein the dielectric material has a surface charge that generates an electric field on the detection surface. 6. The method according to any one of 1 to 5 above, wherein the dielectric material has a trap type charge that generates an electric field on the detection surface. 7. A capacitive detection device for detecting the presence of environmental pollution products, the capacitive detection unit comprising a pair of capacitive electrode means separated by a non-conductive free space between them; At least one has a charged dielectric material spaced apart from the opposing electrode and forming a free surface to which an electric field is applied, the dielectric material having a volume resistivity of 5 % relative humidity.
The surface of the dielectric material is made of a material having a charge greater than 1 x 10^2 ohm-cm at 0% relative humidity and less than 1% by weight at 95% relative humidity, and which generates an electric field for charge enhancement. has a surface energy component primarily due to dispersive bonding forces with minimal contribution of dipole-hydrogen bonding forces, and the dielectric material interacts with contamination products to alter the electrical output of the capacitive sensing means. said detection device, characterized in that said detection device comprises an amplification means having a high input impedance means connected to said capacitive detection means for generating an amplified output thereof; . 8. The device of claim 7, wherein said dielectric material has an electrical monopole that generates said charge. 9. The device of claim 7 or 8, wherein said dielectric material has aligned dipoles that generate said charge. 10 The above dielectric material is partially or entirely made of polytetrafluoroethylene (TFE), perfluoroalkoxy resin (P
10. The device according to any one of 7 to 9 above, which is selected from FA), fluorinated ethylene propylene (FEP), polystyrene, polyethylene, polypropylene, and ionomer resins. 11. The device according to any one of 7 to 10 above, wherein the dielectric material has a surface charge that produces an electric field on the detection surface. 12. The device according to any one of 7 to 11 above, wherein the dielectric material has a trap type charge that produces an electric field on the detection surface. 13 The other of said electrode means comprises a grounded electrically conductive member surrounding one of the electrode means, said member being porous to allow relatively free movement between said electrode means and contact with said active material. 13. The device according to any one of 7 to 12 above, wherein the one electrode means is housed in the other electrode means and the dielectric material is provided on opposite surfaces thereof. 14 The electric field strength of the above capacitor is at least 3150
14. The device according to any one of 7 to 13 above, wherein the voltage is 10^5 volts/m. 15. The device according to any one of 7 to 14 above, wherein the electrode means is a plurality of plates, and these plates are surrounded by an outer shield earthing means. 16. The device according to 15 above, wherein the capacitor plates are connected to each other and to the input side of the amplifying means. 17 Above 15 where one capacitor plate is grounded
The device described.
JP54105819A 1978-10-11 1979-08-20 Non-conductive polar gas detection method and detection element Expired JPS6024426B2 (en)

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US05/950,413 US4264331A (en) 1977-08-03 1978-10-11 Charged non-conductive polar gas sensing element and detection system

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